本文關(guān)鍵詞：基于DSP的超聲波流量計(jì)，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

　　摘要：超聲波流量計(jì)因?yàn)榫哂胁唤佑|被測(cè)介質(zhì)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被不斷研究并應(yīng)用在許多領(lǐng)域，發(fā)揮了巨大的作用。設(shè)計(jì)了基于DSP,以多普勒效應(yīng)為原理的超聲波流量計(jì)，完成了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。最后對(duì)FTR數(shù)字濾波器和FFT算法進(jìn)行了仿真，證明了方案的可行性。

　　流量測(cè)量與人們的生活息息相關(guān)。早在剛種植農(nóng)產(chǎn)品時(shí)，人們就已經(jīng)開始關(guān)注灌溉水的流量測(cè)量了。現(xiàn)在，流量測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)、過程控制、科學(xué)實(shí)驗(yàn)、節(jié)能、環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)中都起著十分重要的作用。

　　超聲波在流動(dòng)的流體中傳播時(shí)，就載上流體流速的信息。因此，通過接收到的超聲波就可以檢測(cè)出流體的流速，從而換算成流量，這就是超聲波流量計(jì)的測(cè)量原理。使用超聲波流量計(jì)，不需要在流體中安裝測(cè)量元件，所以不會(huì)改變流體的流動(dòng)狀態(tài)，不產(chǎn)生附加阻力，儀表的安裝及檢修均可不影響生產(chǎn)管線運(yùn)行，因而是一種理想的節(jié)能型流量計(jì)。

　　超聲波流量計(jì)根據(jù)檢測(cè)的方式，可以分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法及相關(guān)法等不同類型的超聲波流量計(jì)。其中，超聲波多普勒流量計(jì)除具有一般超聲波儀器的特點(diǎn)外，還有諸多優(yōu)點(diǎn)，例如對(duì)流速變化響應(yīng)快，對(duì)流體的壓力、粘度、溫度、密度和導(dǎo)電率等因素不敏感，沒有零點(diǎn)漂移問題，測(cè)量條件不變時(shí)儀表重復(fù)性好，價(jià)格比較便宜等。超聲波多普勒流量計(jì)適用于測(cè)量?jī)上嗔鞯膱?chǎng)合，而能夠用在兩相流場(chǎng)合的流量計(jì)是比較少的。本文采用多普勒法為基本原理，來研究基于DSP的超聲波流量計(jì)。

　　1 多普勒法的測(cè)量原理

　　1.1 工作原理

　　多普勒法測(cè)流量的基本原理是：把發(fā)射的超聲波入射到流動(dòng)的流體中，被隨流體一起運(yùn)動(dòng)的顆粒反射到接收器，接收到的反射聲波與發(fā)射聲波之間產(chǎn)生頻率差，這個(gè)頻率差就是多普勒頻移，它正比于流體流速，因此測(cè)量頻差即可求得流速，將測(cè)得的平均流速乘以相應(yīng)的流通截面積即可求得容積流量。

　　利用多普勒效應(yīng)測(cè)量的必要條件是：被測(cè)流體中必須有足夠的具有反射本領(lǐng)的顆粒，才能得到一定強(qiáng)度的信號(hào)使儀表正常工作。因此，多普勒超聲波流量計(jì)只有當(dāng)被測(cè)流體中存在一定數(shù)量的懸浮顆粒、氣泡或有反射本領(lǐng)的其他粒子時(shí)才能工作。多普流量計(jì)適用于測(cè)量?jī)上嗔鞯膱?chǎng)合，這正是其他流量計(jì)難以解決的。

　　1.2 流量方程

　　如圖1所示，當(dāng)多普勒流量計(jì)的發(fā)射換能器以一定的角度θ向流體發(fā)射頻率為f1的連續(xù)超聲波時(shí)，流體中的懸浮顆粒體將聲波發(fā)射到接收換能器，因?yàn)閼腋☆w粒隨著流體在流動(dòng)，所以反射的超聲波將產(chǎn)生多普勒頻移△f.設(shè)頻移后接收換能器收到的超聲波頻率為f2,超聲波在被測(cè)流體中的傳播速度（傳聲速度）為c,顆粒反射體以與被測(cè)流體相同的流速μ運(yùn)動(dòng)，收、發(fā)兩超聲波束與流體相間的夾角均為θ，則根據(jù)多普勒效應(yīng)，多普勒頻移△f用下式表示：

　　由式（1）可知，多普勒頻移△f與發(fā)射頻率f1及流體流速μ成正比，與介質(zhì)的傳聲速度c成反比。當(dāng)發(fā)射頻率f1與聲速c恒定時(shí)，多普勒頻移△f正比于流速μ，即測(cè)量△f可反映流速μ。流速μ與△f的關(guān)系由式（1）可得

　　式中，S--管道流通截面積。

　　式（3）為多普勒流量計(jì)的理論方程式。由此式可知，當(dāng)儀表結(jié)構(gòu)及測(cè)量條件確定后，頻移與容積流量成正比，測(cè)量頻移可反映流體流量。

圖1 多普勒效應(yīng)示意圖

　　1.3 工作頻率的確定

　　工作頻率是本文研究的流量計(jì)首先考慮的問題。流量計(jì)的工作頻率與懸浮粒子的尺寸有重要關(guān)系。在實(shí)際的流體中，粒子的性質(zhì)差別非常大。為了討論簡(jiǎn)單，具有代表性，假定懸浮粒子是一半徑為α的剛性小球，置于超聲波聲場(chǎng)中，超聲波以平面波方式傳播的，在考慮吸收與散射衰減條件下，聲波衰減與振幅、距離有如下關(guān)系：

　　總衰減量

　　式中，P0是發(fā)射面處的聲壓，Px是接受面處的聲壓，α為衰減系數(shù)。這里衰減系數(shù)α的大小直接影響超聲波穿透流體的深度。在所研究的含有固體顆粒的流體中，α主要由3種因素形成，即粘滯系數(shù)。摩擦衰減和散射衰減。其中只有散射衰減能形成反射回波，所以主要研究散射衰減。

　　本文研究的流量計(jì)的工作頻率的選取應(yīng)使λ>2πα，但也不要過大，以免只存在繞射。一般選λ/2α的值在幾十至幾百的范圍內(nèi)比較好，這時(shí)由散射產(chǎn)生的輻射能與λ4成正比。實(shí)際測(cè)量時(shí)，應(yīng)根據(jù)平均粒徑來選擇工作頻率。關(guān)于粘滯衰減和摩擦衰減，實(shí)際這兩個(gè)量與流體性質(zhì)、粒子濃度及大小等均有關(guān)，他們也會(huì)影響超聲波穿透深度和取樣窗面積大小，即直接影響測(cè)量結(jié)果，不過，，一般情況下處于次要地位。對(duì)于氣泡的分析與顆粒結(jié)果類似。工業(yè)測(cè)量中超聲波頻率的選擇在500 kHz~2.5MHz之間。本文研究的超聲波流量計(jì)的工作頻率選擇640kHz.

技術(shù)資料出處:楊真人
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